Научная группа из KAIST разработала новую платформенную технологию, которая использует вспышку света продолжительностью 0,02 секунды для генерации сверхвысокой температуры в 3000 °C. Это позволяет эффективно синтезировать катализаторы.
Этот прорывный процесс снижает энергопотребление более чем в тысячу раз по сравнению с традиционными методами, одновременно увеличивая эффективность производства водорода до шести раз. Это значительный шаг к коммерциализации экологически чистых источников энергии.
Совместная исследовательская группа под руководством профессора Иль-Ду Кима из Департамента материаловедения и инженерии и профессора Сон-Ёль Чоя из Школы электротехники разработала платформу прямого контактного фототермического отжига. Эта технология синтезирует высокопроизводительные наноматериалы путём кратковременного воздействия интенсивного света, генерируя временную температуру 3000 °C всего за 0,02 секунды.
Используя эту интенсивную фототермическую энергию, исследователи успешно преобразовали химически инертные наноалмазы (НД) в высокопроводящие и каталитически активные углеродные наноонии (CNO).
Более того, метод одновременно функционализирует поверхность вновь образованных CNO одиночными атомами. Этот интегрированный одностадийный процесс реструктурирует поддерживающий материал и встраивает каталитическую функциональность за один импульс света, что представляет собой значительное новшество в синтезе катализаторов. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
CNO, состоящие из концентрических графитовых оболочек, являются идеальными носителями катализаторов благодаря своей высокой проводимости, большой удельной поверхности и химической стабильности. Однако традиционный синтез CNO сдерживался сложной многоступенчатой постобработкой, необходимой для загрузки металлических катализаторов, и зависимостью от энергоёмких и длительных термических обработок, которые ограничивают масштабируемость.
Чтобы преодолеть эти ограничения, команда использовала фототермический эффект. Они разработали метод смешивания НД-прекурсоров с поглощающей свет сажей (CB) и применения интенсивного импульса от ксеноновой лампы. Этот подход запускает преобразование НД в CNO всего за 0,02 секунды, что подтверждено моделированием молекулярной динамики.
Ключевым нововведением этой платформы является одновременный синтез CNO и функционализация одноатомных катализаторов (SAC). Когда металлические прекурсоры, такие как платина (Pt), включены в смесь, они разлагаются и закрепляются на поверхности зарождающихся CNO в виде отдельных атомов. Последующее быстрое охлаждение предотвращает агрегацию атомов, что приводит к идеально интегрированному одностадийному процессу как синтеза, так и функционализации.
Команда успешно синтезировала восемь различных высокоплотных SAC, включая платину (Pt), кобальт (Co) и никель (Ni). Полученный Pt-CNO продемонстрировал шестикратное повышение эффективности выделения водорода по сравнению с обычными катализаторами, достигая высоких показателей при значительно меньшем количестве драгоценных металлов. Это подчёркивает потенциал технологии для масштабируемого и устойчивого производства водорода.
«Мы впервые разработали процесс прямого контактного фототермического отжига, который достигает 3000 °C менее чем за 0,02 секунды», — сказал профессор Иль-Ду Ким. «Этот ультрабыстрый синтез и платформа для функционализации одноатомных катализаторов снижает энергопотребление более чем в тысячу раз по сравнению с традиционными методами. Мы ожидаем, что это ускорит коммерциализацию технологий в области водородной энергетики, газочувствительности и экологического катализа».
Предоставлено Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST).